以AOTF为核心的在线光谱测量系统的研制

    1　引言

    传统的光谱仪器采用棱镜或光栅做为色散元件。以这些元件为核心的红外分析仪,结构复杂,设计和生产成本高,输出单色红外光信号弱,使得这些仪器在实际应用中受到一定的限制。声光可调谐滤光器(AOTF)作为一种新型的色散元件,具有棱镜与光栅所无法比拟的优点:

    (1)电调谐实现波长扫描,适合于快速光谱分析工作;

    (2)具有大的角孔径、集光能力强、衍射效率高,适合于进行微弱光信号的光谱分析;

    (3)以AOTF为色散元件的光谱测量系统没有机械运动部件,减少了测量结果的误差来源,同时简化了仪器结构。

    2　声光可调谐滤光器(AOTF)的结构与工作原理^[1～3]

    AOTF由三部分组成,即换能器阵列、声光介质和声终端。其结构和工作原理如图1所示。

    RF驱动器产生射频信号加到换能器阵列上,激励出声波传入声光介质中。为了防止声波反射,透过介质的声波被声终端吸收。入射声波和入射光波在声光介质内相互作用,满足动量匹配条件的单色衍射光从器件出射。当入射光波为自然光时,将有两束衍射光同时出现,一束为e光,另一束为o光。其余波长的光不满足动量匹配条件,直接从器件透射。改变RF驱动器的频率,将有不同波长的衍射光从器件出射,从而以电调谐实现波长扫描。

    3　红外光谱测量系统的整体结构

    红外光谱测量系统由发射系统和接收系统两大部分组成。其中发射系统包括光源、反射镜、调制盘、AOTF以及RF驱动器,接收系统包括聚焦、探测器、接收电路、数据处理和光谱显示。整体结构如图2所示。

    4　发射系统的设计

    4.1　RF驱动器设计

    在线红外测量系统波长扫描功能通过RF驱动器的频率扫描来实现,其组成如图3所示。

    RF驱动器采用数字信号处理器(DSP)做微控制器。在DSP命令字控制下直接数字频率合成器(DDS)产生频率可调的高频信号,经RF功放后驱动压电换能器,产生声波在声光介质内与入射光相互作用。DSP采用TI公司的TMS320F206,DDS采用AD公司的AD9851^[4,5]。DDS的功能如图4所示。

    图中M为DSP产生的频率控制码,f_ref为晶振产生的高稳定性参考频率,f_out为输出频率,且

　　f_out=f_ref×(M/2^N)            (1)

式中　M为由DSP写入相位寄存器中的频率控制字;N为相位累加器的位数。采用DDS直接数字频率合成器具有频率转换速度快和频率稳定性好等特点,以适应快速光谱测量的场合。DSP与DDS的接口电路如图5所示。DSP采用8位数据总线方式,数据经数据锁存器送到DDS,40位频率控制字分5次传送。